前面幾篇文章，主要講解了虛擬內存空間的布局和管理，下面同步來聊聊物理內存空間的布局和管理。
順便介紹一下 我的圈子：高級工程師聚集地，期待大家的加入。
1、物理內存
什么是物理內存？
我們平時聊的內存，也叫隨機訪問存儲器（random-access memory），也叫RAM。
RAM分為兩類：
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SRAM：靜態(tài)RAM，其主要用于CPU高速緩存L1Cache，L2Cache，L3Cache，其特點是訪問速度快，訪問速度為 1 - 30 個時鐘周期，但是容量小，造價高。
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DRAM：動態(tài)RAM，其主要用于我們常說的主存上，其特點的是訪問速度慢（相對高速緩存），訪問速度為 50 - 200 個時鐘周期，但是容量大，造價便宜些（相對高速緩存）。
DRAM經(jīng)過組合起來，就作為我們的計算機內存，也是物理內存。
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2、物理內存訪問模型
上面介紹了物理內存的基本組成，那么CPU是如何訪問物理內存的呢？
對于CPU訪問物理內存，Linux提供了兩種架構：UMA(Uniform Memory Access)一致內存訪問，NUMA(Non-Uniform Memory Access)非一致內存訪問。
2.1 UMA
在UMA架構下，多核處理器中的多個CPU，位于總線的一側，所有的內存條組成的物理內存位于總線的另一側。
所有的CPU訪問內存都要經(jīng)過總線，并且距離都是一樣的，所以在UMA架構下，所有CPU具有相同的訪問特性，即對內存的訪問具有相同的速度。
2.2 NUMA
這種架構，系統(tǒng)中的各個處理器都有本地內存，處理器與處理器之間也通過總線連接，以便于其他處理器對本地內存的訪問。
與UMA不同的是，處理器訪問本地內存的速度要快于對其他處理器本地內存的訪問。
3、物理內存組織模型
內存頁是物理內存管理中最小單位，有時也成為頁幀（Page Frame）。
內核對物理內存劃分為一頁一頁的連續(xù)的內存塊，每頁大小4KB，并且使用struct page結構體來表示頁結構，其中封裝了每個頁的狀態(tài)信息，包括：組織結構，使用信息，統(tǒng)計信息等。
page結構體較為復雜，我們后續(xù)再深入了解。
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3.1 FLATMEM平坦內存模型
FLATMEM即：flat memory model。
我們把物理內存想象成它是由連續(xù)的一頁一頁的塊組成的，我們從0開始對物理頁編號，這樣每個物理頁都會有頁號。
由于物理地址是連續(xù)的，頁也是連續(xù)的，每個頁大小也是一樣的。因而對于任何一個地址，只要直接除一下每頁的大小，很容易直接算出在哪一頁。
如果是這樣，整個物理內存的布局就非常簡單、易管理，這就是最經(jīng)典的平坦內存模型（Flat Memory Model）。
如上圖，平坦內存模型中，內核使用一個mem_map的全局數(shù)組，來組織所有劃分出來的物理內存頁，下標由PFN表示。
在平坦內存模型下 ，page_to_pfn 與 pfn_to_page 的計算邏輯就非常簡單，本質就是基于 mem_map 數(shù)組進行偏移操作。
#ifndef ARCH_PFN_OFFSET
#define ARCH_PFN_OFFSET (0UL)
#endif
#if defined(CONFIG_FLATMEM)
#define __pfn_to_page(pfn) (mem_map + ((pfn)-ARCH_PFN_OFFSET))
#define __page_to_pfn(page) ((unsigned long)((page)-mem_map) + ARCH_PFN_OFFSET)
#endif
ARCH_PFN_OFFSET是PFN的起始偏移量。
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3.2 DISCONTIGMEM 不連續(xù)內存模型
DISCONTIGMEM即：discontiguous memory model。
我們早期內核使用的是FLATMEM模型，該模型對于較小的，連續(xù)的物理空間是方便使用的，但是當物理內存不連續(xù)時，使用mem_map管理，就會出現(xiàn)空洞，這會浪費mem_map數(shù)組本身占用的內存空間。
對于NUMA訪問內存模型，物理內存分布就是不連續(xù)的，為了有效管理，DISCONTIGMEM 不連續(xù)內存模型出現(xiàn)了。
在不連續(xù)的物理內存中，DISCONTIGMEM不連續(xù)內存模型，將物理內存分成了一個個的node，然后每個node管理一塊連續(xù)的物理內存，連續(xù)的物理內存仍然使用FLATMEM平坦內存模型來管理，從而避免了內存空洞的浪費。
我們可以看出
DISCONTIGMEM非連續(xù)內存模型其實就是FLATMEM平坦內存模型的一種擴展。
DISCONTIGMEM是個稍縱即逝的內存模型，在SPARSEMEM出現(xiàn)后即被完全替代。
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3.3 SPARSEMEM稀疏內存模型
隨著內存技術的發(fā)展，內核可以支持物理內存的熱插拔了（像我們的內存條，可以直接插入拔出），這樣不連續(xù)物理內存已然稱為常態(tài)。
SPARSEMEM稀疏內存模型的核心思想就是對粒度更小的連續(xù)內存塊進行精細的管理，用于管理連續(xù)內存塊的單元被稱作 section 。
物理頁大小為
4k的情況下，section的大小為128M，物理頁大小為16k的情況下，section的大小為512M。
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在內核中，使用struct mem_section結構體表示SPARSEMEM模型中的section
struct mem_section {
unsigned long section_mem_map;
...
}
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每個
mem_section管理一片小的，物理內存連續(xù)的區(qū)域，并且支持對該區(qū)域的offline/online狀態(tài) -
所有的
mem_section都保存在一個全局數(shù)組中
整體的框架如下：
在 SPARSEMEM 稀疏內存模型下 page_to_pfn 與 pfn_to_page 的計算邏輯又發(fā)生了變化。
#if defined(CONFIG_SPARSEMEM)
/*
* Note: section's mem_map is encoded to reflect its start_pfn.
* section[i].section_mem_map == mem_map's address - start_pfn;
*/
#define __page_to_pfn(pg) \
({ const struct page *__pg = (pg); \
int __sec = page_to_section(__pg); \
(unsigned long)(__pg - __section_mem_map_addr(__nr_to_section(__sec))); \
})
#define __pfn_to_page(pfn) \
({ unsigned long __pfn = (pfn); \
struct mem_section *__sec = __pfn_to_section(__pfn); \
__section_mem_map_addr(__sec) + __pfn; \
})
#endif
- 在
page_to_pfn的轉換中，首先需要通過page_to_section根據(jù)struct page結構定位到mem_section數(shù)組中具體的section結構。然后在通過section_mem_map定位到具體的PFN。 - 在
pfn_to_page的轉換中，首先需要通過__pfn_to_section根據(jù)PFN定位到mem_section數(shù)組中具體的section結構。然后在通過PFN在section_mem_map數(shù)組中定位到具體的物理頁Page。
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4、總結
以上，我們先對物理內存空間有一個基礎的了解，明白物理內存空間的內存訪問模型和組織模型，下面我們再詳細介紹物理內存空間的布局和管理。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-721218.html
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